柔性钢棚洞在山区公路安全防护中的应用研究

王洪新

（山西省公路局晋城分局, 山西 晋城 048000）

0 引言

在我国山区公路建设中，由于地形较为复杂，经常会遇到落石等地质灾害问题。针对落石的防护，棚洞是极其重要的措施之一。柔性钢棚洞与传统的钢筋混凝土结构棚洞相比较，其尺寸、重量、占地面积均大大减少，结构与地面间的固定强度要求降低，从而降低了结构基础的尺寸要求，减小了开挖量，也减小了对环境的破坏，通透性好，洞内无需考虑照明和通风[1-5]。柔性防护棚洞与隧道明洞相比单位造价大大降低。整个结构均由金属构件构成，各构件可以实现工厂化加工，现场安装，施工简单快捷。

本文以山西某隧道出口的柔性钢棚洞为例，在对落石运动分析的基础上，使用有限元数值模拟软件模拟落石撞击钢棚洞的过程，分析钢棚洞结构各构件能量、轴力的变化，利用柔性钢棚洞计算理论对拟建结构进行了设计验证。

1 工程概况

山西某国道某段公路为省市重要的交通干道，其地形复杂，山高沟深，路线沿沟谷布设。最大边坡高度达到71m。沿线岩性以灰岩、泥灰岩为主。原设计中共设置4 座隧道，其中某隧道出口山高坡陡，存在隧道口危岩、风化碎石直接掉落道路上的严重隐患。如图1所示。

图1 隧道出口情况

1.1 地质情况

隧洞出口位于白涧河北侧陡坡上，河谷横断面呈“V”字型，沟底宽约10～15m，洞口所处斜坡坡向152°左右，坡角在30°～40°之间，在自然条件下均处于基本稳定状态。洞口仰坡高约55～65m，洞口仰坡、边坡及洞口段围岩均由奥陶系下统亮甲山组（O1l）白云岩组成，白云岩节理裂隙发育，岩体破碎，抗风化能力较弱，且岩层产状为315°∠4°，岩层产状平缓，属层状同向斜坡，为较不稳定组合，易产生碎落、崩塌等不良地质现象。在施工条件下，由于开挖对岩体的扰动、破坏作用，使得坡体稳定性随之降低，易引发坍塌及滑塌等不良地质现象。

1.2 柔性钢棚洞简介

该工程拟采用钢拱架加柔性网的方式进行设计。钢拱架采用H 型钢，纵向支撑为热压无缝钢管，柔性网分为两层，上铺缠绕形圆环网，下铺双绞六边形网。

根据道路的宽度10m 以及隧道的高度5m，同时考虑棚顶与隧道最高处应有一定的安全空间，设置棚洞的基本断面尺寸为宽12m，高8m。柔性钢棚洞的钢结构基本采用的是H 型钢桁架，选用的尺寸为H400mm×200mm。出于效能和经济两方面的考虑，对防护网中的环形网采用R5/3/200 型缠绕形圆环网（采用锌+5%铝+混合稀土合金防腐），双绞六边形网采用50×60双绞六边形网（采用锌+5%铝+混合稀土合金防腐）。环向设8 根纵向支撑钢管，并辅以斜向支撑钢管，并在钢架拱脚处设置Ф250×2.5耗能器。整体示意图如图2所示。

图2 柔性防护棚整体示意图

2 落石对柔性钢棚洞冲击有限元分析与计算

整个棚洞由多个棚洞结构单元构成，主梁跨度为12.0m，拱形H 型钢梁之间的距离为5m，本次选取5 榀拱形H 型钢梁进行计算。采用有限元数值模拟软件模拟落石对柔性网的冲击过程，对已有的结构进行显式非线性动力分析，从而获取模拟后的各构件能量及轴力等结果。

2.1 计算条件及要求

2.1.1 棚洞所受荷载

场地重力加速度为9.8m/s，各种半径球形滚石以不同速度冲击棚洞结构的主要部位，利用mv2/2 计算滚石动能，达到300kJ；参照《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012），按50a一遇的情况考虑，查阅当地资料，基本风压应取0.45kN/m2。

2.1.2 材料参数

棚洞钢结构梁和柱采用Q345钢材，其材料参数为：密度取7.85×103kg/m3。弹性模量取206GPa，泊松比为0.3，其屈服极限为345MPa，切向模量取弹性模型的1/100[1]。

圆柱耗能器材料采用Q210号钢，其材料参数为：密度7.85×103kg/m3，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3，其屈服极限为210MPa，切向模量取弹性模型的1/100。

滚石假设为弹性材料，其弹性模量10GPa，泊松比为0.2，密度为2400kg/m3，在ABAQUS 有限元分析中，将滚石以直径为80cm的刚性球替代，并以300kJ的动能冲击柔性棚洞。

钢丝网材料梁单元模拟，密度取7.85×103kg/m3，弹性模量取206GPa，泊松比为0.3。

2.1.3 计算工况

根据设计要求，计算表1所示的7种工况。

表1 计算工况

2.2 模型建立

2.2.1 几何模型

以工况3为例，棚洞钢结构的整体计算实体模型如图3所示，其结构尺寸与棚洞结构有限元整体模型图纸提供尺寸一致。

图3 棚洞钢结构的整体计算实体模型

2.2.2 有限元模型

依据提供的设计图纸，在Abaqus有限元软件里面建立了有限元模型，棚洞结构模型局部图如4图所。其中，棚洞结构中H型钢采用壳单元进行离散，并赋予材料对应的材料属性，实体单元网格绝大部分是形状规则的八节点六边形单元，极少数单元为退化的4节点三角形过渡单元，球体滚石采用C3D8R单元离散，球体与钢结构接触的地方网格相应细化，以提高计算精度。钢丝网以及工字钢之间的连接构件均采用梁单元模拟，并赋予材料对应的材料属性。

根据分析结果，0.075s 时H 型钢梁所受应力最大。因此，提取0.075s 时滚石冲击H 型钢梁的Mises 动力学响应，模型最终的mises应力云图如图4所示。

图4 Mises应力云图

从图4可知，在滚石冲击荷载计算完毕后，H型钢梁局部出现屈服区域，但是H 型钢梁并没有出现整体失稳，依然保持较好的整体稳定性。当H型钢梁损坏后要及时进行更换。

2.2.3 冲击荷载作用下的变形

根据分析结果，0.075s时H型钢梁的应力以及位移最大。因此，提取0.075s 时滚石冲击H 型钢梁的位移动力学响应，模型最终的位移云图如图5所示。

图5 位移云图

从图5可知，在滚石冲击荷载计算完毕后，H型钢梁的最大位移为0.28m，位于滚石与H型钢梁接触的区域。

2.2.4 支反力计算

钢架最大支反力处支反力时程曲线以及云图分别如图6和图7所示，最大支反力为25.73kN，方向为竖直向下。

图6 最大支反力时程曲线

图7 最大支反力云图

2.3 计算主要结论

在300kJ冲击力作用下棚洞计算结果表明：

（1）滚石冲击钢丝网，钢丝网局部区域出现破坏，需要更换，但有效阻止了滚石的滚落；撞击跨中钢丝网时，最大位移为1.091m；撞击1/4跨钢丝网时，最大位移为0.808m，均未侵入建筑限界。

（2）滚石冲击H 型钢梁，主梁出现局部破损，需要更换，但保持了整体的稳定性，有效地阻止了滚石，最大位移量为0.28m。值得注意的是，最大竖直向下支反力为25.73kN，即柔性棚洞基础应具有25.73kN 的抗拔力。基础单侧锚栓可提供169.04kN 的抗拔力，远大于25.73kN，棚洞不会产生倾覆。

（3）在风荷载作用下，结构各构件均处于正常弹性工作状态。

综合上述计算，结果表明：该柔性棚洞能够有效阻止滚石滚落，保证道路的安全运行。

3 结束语

本文以某公路隧道出口落石防护设计为例，使用有限元数值模拟软件模拟落石对棚洞的碰撞作用，得到内部能量轴力等数据，利用柔性钢棚洞计算理论对拟建结构进行了设计验证，结果表明：柔性棚洞能够有效的阻止滚石滚落，保证道路的安全运行。但在设计过程中，为了确保柔性钢棚洞的安全防护效果，需注意以下两点：

（1）在落石对柔性钢棚洞的冲击中，柔性网吸收了大部分的能量，因此要注意钢丝网的抗拉性能；

（2）在钢棚洞的设计中，应注重对基础锚栓的选取，确保能够提供足够的抗拔力。